Atividade de Simulação Eletromagnética - Radiadores básicos

OBJETIVOS

Os objetivos de aprendizagem desta aula são:

Complementar o conhecimento sobre radiadores básicos a partir de simulação eletromagnética.

METODOLOGIA

A aula será baseada em uma atividade de simulação eletromagnética e preenchimento de relatório (https://docs.google.com/document/d/1F0M6SpnePvQrF5UoJXY-9wQd6LtALnNaix5ImW8W0i8/edit?usp=sharing).

PARA ESTUDO

O instalador do software de simulação assim como alguns tutoriais podem ser encontrados no site: https://www.qsl.net/4nec2/

INTRODUÇÃO: O intuito desta atividade é complementar e auxiliar na compreensão da teoria sobre o funcionamento dos radiadores básicos do tipo dipolo, monopolo e antena de quadro a partir de simulações eletromagnéticas.

Tabela 1. Resumo de radiadores básicos (STUTZMAN, 2016):

Parte 1 - Dipolo curto - Análise de diagrama de radiação

Nesta parte, você irá analisar os resultados simulados para um dipolo curto (eletricamente pequeno) tais como padrão de radiação e parâmetros principais, ganho, componentes de campo elétrico, e resistência de entrada, assim como compará-los com os esperados conforme a teoria.

Configure a impedância de referência para 75 Ohms na janela de menu principal (Settings > Char. impedance). ATENÇÃO: Mantenha essa configuração igual para todas as simulações das demais antenas.
No editor*, construa um dipolo (Edit > input (.nec) file) disposto no eixo z, centrado na origem, com comprimento total de 2 cm e raio de espessura de 0,1 mm. Configure 11 elementos (segmentos), com excitação no segmento central (magnitude 1 V, fase 0). A frequência de simulação será de 300 MHz, e o ambiente (environment) será o espaço livre. Salve o arquivo de edição .nec (File > save as). Observação: Você pode optar por construir a estrutura usando o editor gráfico (Settings > Geometry edit) ou o textual (Settings > NEC editor (new)).
Na mesma frequência, simule o diagrama de radiação de campo distante com uma resolução de um grau (1 deg.) (Calculate > NEC output data > Far field pattern > Generate).
No menu principal, anote (em um papel ou diretamente no relatório) a impedância de entrada (impedance) e razão de onda estacionária (SWR) mostradas. Observação: a configuração realizada até o momento prevê fios de condutividade infinita, e portanto, nenhuma resistência de perdas. Se você quiser configurar a condutividade do fio para contabilizar as perdas e analisar a eficiência da antena, faça isso através da aba Source/loads na janela do editor ativando a opção “show loads” e preenchendo a linha com o tipo “wire conductivity”, o tag correspondente e o material desejado.
No menu da janela de geometria, visualize e analise a distribuição de corrente (Currents> Current Magnitude, e Currents> Magnitude as color). Pode clicar na figura e rotacionar para melhorar a visualização, e também ajustar o zoom (View > reset ou zoom in/out). Também, visualize e analise o diagrama 3D (Show > Near/Far Field). Opcional: outra maneira de visualizar a distribuição de corrente e do diagrama é na visualização 3D, no menu principal (Window > 3D Viewer). ATENÇÃO: caso alguma janela de resultados de simulação seja fechada acidentalmente, simule novamente. Para evitar que isso aconteça , tente afastar e não clicar na janela de edição desnecessariamente.
No menu do diagrama de radiação (Pattern), conforme esperado na teoria, analise os diagramas de ganho total 2D em ambos planos vertical (elevação) e horizontal (azimutal). A visualização dos planos pode ser alterada usando: Farfield > Vertical Plane. Além disso, pode mudar os valores de phi/theta para os planos vertical/horizontal utilizando as teclas de direção (esquerda, direita, acima, abaixo); o valor do ângulo phi ou theta correspondente aparece no canto inferior esquerdo. Analise a variação desses ângulos, e veja se condiz com o esperado para o diagrama de radiação em questão.
Volte para o diagrama de ganho total 2D no plano vertical e Phi = 0, e tome nota do ganho máximo que aparece em dBi em cor azul no canto inferior direito e observe o ângulo de elevação (theta) onde isso acontece. Pode também obter informação do ganho máximo nas abas do menu (Show > info). Anote também a largura de feixe de meia potência (HPBW) desse plano que aparece dessa informação.
Ative a vista de ambos planos horizontal e vertical simultaneamente* (Far field > Show both), analise, e em seguida salve a figura (Show > Print > Save as) e/ou copie (Copy) diretamente no relatório. *Atenção: caso não consiga ativar ambos planos, salve figuras independentes para cada plano.
Finalmente, ainda no menu do diagrama de radiação (Pattern), analise agora os diagramas de campo elétrico, nas duas componentes E(phi) e E(theta) (Show > Next/previous Pattern) em ambos planos para cada uma delas. O nome do tipo de diagrama aparece em negrita no canto superior esquerdo. Verifique se os diagramas dessas componentes estão conforme o esperado pela teoria.
Com a vista de ambos planos horizontal e vertical simultaneamente ativa, salve as figuras correspondentes a ambas componentes de campo elétrico.

Parte 2 - Dipolo de meia-onda - Ajuste de sintonia

Nesta parte, você realizará uma simulação varrendo a frequência de análise, o que permitirá ajustar o comprimento do dipolo de meia-onda até atingir sua sintonia (condição de ressonância) .

Calcule o comprimento da antena para um dipolo de meio comprimento de onda na frequência de 300 MHz. Em seguida, no editor, ajuste o tamanho do dipolo da Parte 1. Pode aumentar o número de elementos para 101 (ou na mesma proporção do aumento da dimensão do dipolo). Cuide para manter a excitação centralizada. Salve seu arquivo .nec com outro nome.
Antes de simular o dipolo de meia-onda assim como na parte 1, você terá que sintonizar ele para a frequência central. Para tanto, é útil realizar uma simulação de tipo varredura em frequência e analisar o casamento de impedância. Nas configurações, selecione uma varredura com cálculo no plano vertical unicamente (Calculate > NEC output data > Frequency sweep > Vert). Configure também a frequência inicial e final de simulação que corresponda a uma faixa de frequência (FR) de 50 MHz em torno de 300 MHz, com passo de 1 MHz (atenção, as quantidades já se encontram em MHz). Simule.
Na janela de resultados Gain/SWR/Impedance, através do gráfico de SWR ou de magnitude de coeficiente de reflexão, e com a ajuda de um marcador (fazendo click em alguma das curvas gráficos), observe o valor da frequência em que o melhor casamento acontece, que coincide com a ressonância do dipolo. A partir desse resultado e do esperado na teoria, ajuste o comprimento da antena para que a ressonância aconteça em 300 MHz (Itere a simulação até encontrar uma sintonia próxima desse valor. Caso julgue necessário, pode ajustar o passo da simulação caso creia conveniente para obter melhor resolução).
Uma vez atingida a sintonia desejada, salve o gráfico de SWR/Mag. de coeficiente de reflexão (Show > Print > Save as) incluindo o marcador na ressonância.
Para valores de -10dB e de -20 dB (aprox) de magnitude de coeficiente de reflexão em torno da frequência de ressonância, tome nota do valor das frequências e valores de VSWR correspondentes.
Troque para o gráfico de impedância (Show > Imped. Phase) e salve o gráfico incluindo o marcador na ressonância, para registrar o valor da impedância (real e imaginário) na ressonância.

Parte 3 - Dipolo de meia-onda sintonizado - análise de diagrama de radiação

Nesta parte, você irá analisar os parâmetros de antena do dipolo de meia onda sintonizado anteriormente na Parte 2, de maneira similar como realizado na Parte 1.

Para o dipolo de meia-onda sintonizado (dimensões encontradas na parte 2), simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar.

Parte 4 - Antena monopolo de quarto de onda - análise de diagrama de radiação

Nesta parte, você irá analisar o equivalente do dipolo de meia-onda na sua versão monopolar, com o uso de um plano condutor.

Modifique a antena para um monopolo de quarto de onda, equivalente ao dipolo de meia onda sintonizado. Desta vez, configure um plano condutor perfeito (No editor textual, na aba Freq./Ground, environment > perfect gnd.). Atenção: o braço (fio) do monopolo deve ser construído somente para valores positivos de z, pois o plano condutor anula qualquer objeto abaixo de z=0. A excitação deve estar no primeiro segmento do fio, ou seja em z=0.
Simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar.
(opcional) Repita a simulação modificando o plano condutor com as características de um solo real (Freq./Ground, environment > real ground). Descreva os efeitos observados no padrão de radiação da antena.

Parte 5 - Antena de quadro eletricamente pequena - Análise de diagrama de radiação

Nesta parte (opcional), você poderá analisar e comparar o diagrama de radiação, as componentes de campo elétrico e a impedância de entrada da antena de quadro pequena em relação com o dipolo curto, assim como analisado de forma teórica.

Desenhe uma antena de quadro de formato quadrado centrada na origem, disposta no plano XY, e com laterais de 1 cm paralelas aos eixos x e y. Escolha o centro de uma dessas laterais para colocar a excitação. Considere 5 elementos (segmentos) para cada lado.
Simule a antena seguindo os mesmos passos descritos na Parte 1 na frequência de 300 MHz, e anote os resultados de maneira similar. Durante a análise das componentes do campo, preste atenção à escala de valores reportados.

ANT022808 2023 1 AULA06

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